Notícia - O mistério da antimatéria

A física diz-nos que, após o Big Bang, foi criada para cada partícula de matéria o seu reverso, a antimatéria. Todavia, ambas estavam destinadas a aniquilar-se mutuamente e a voltar ao estado de energia. Se assim foi, porque é que o Universo visível é feito de matéria? Seja em terra ou no espaço, os projectos para desvendar este mistério procuram respostas. Entre eles, há quem fale na língua de Camões.

Existe uma pergunta fundamental a que a ciência está a tentar responder. Uma dúvida tão antiga como o Big Bang e que data de há 13,7 mil milhões de anos atrás. Porque é que existimos? Porque é que existem planetas, estrelas, galáxias e até a própria revista que o leitor segura na mão?

Essencialmente, tudo isto se deve à existência de matéria suficiente, no Universo, para os formar, a qual é composta por átomos. Por sua vez, os átomos são constituídos por partículas mais pequenas, ou seja, electrões, protões e neutrões. Mas há mais, pois os próprios protões e neutrões são constituídos por partículas ainda mais diminutas, os quarks. Ao combinar tudo isto entre si, conseguimos obter todos os elementos da tabela periódica. Embora pareçam suficientes para dar existência ao Universo, a verdade é que este jardim zoológico de partículas e elementos ainda não está completo. Faltam as antipartículas.

Quando o Universo nasceu, todo ele era feito de energia pura e, nos seus primeiros momentos, essa energia começou a fabricar pares de partículas e antipartículas. Quer isto dizer que para cada partícula existia o seu oposto. No entanto, estes pares aniquilavam-se mu­tua­mente, voltando a produzir energia. Por sua vez, à medida que o Cosmos se expandia e arrefecia, a densidade da sua energia decaía.

Contudo, as teorias actuais preconizam que, se o Universo tivesse algumas centenas de milhares de anos, todas as partículas (toda a matéria) teriam regressado à forma de energia, mas uma energia cuja temperatura seria demasiado baixa para a criação de mais pares de partículas. Entretanto, as partículas e as antipartículas já se teriam aniquilado por completo, dado que tanto uma como a outra eram geradas em iguais quantidades.

Se assim foi, de onde veio a matéria que nos compõe? E já agora, o que aconteceu à anti-matéria que está em falta? Parece que as teorias têm algumas pontas soltas no que a este assunto se refere. Daí que se queira investigar melhor para tentar saber o que realmente sucedeu.

As antipartículas têm a mesma massa que a suas irmãs partículas, mas distinguem-se por ter cargas opostas. Por exemplo, o electrão, que é uma partícula elementar (indivisível) e que se caracteriza por ter uma carga negativa, tem como reverso uma antipartícula que se chama “positrão”, a qual tem uma carga de valor oposto, quer dizer, uma carga positiva. As partículas compostas, como o protão (carga positiva) e o neutrão (carga neutra), também têm o seu reverso, o antiprotão e o antineutrão, respectivamente. Uma vez que os protões e os neutrões não são partículas elementares, já que são formados por quarks, as suas antipartículas vão ser constituídas por antiquarks. Mas passemos às evidências.

“Sabemos que existe no Universo antimatéria porque conhecemos os antiprotões e os positrões, duas partículas que detectámos e estudámos através dos raios cósmicos que atravessam a nossa atmosfera e em experiên­cias com os aceleradores de partículas do CERN.” A explicação é dada por Luísa Arruda, investigadora portuguesa do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP), que participa no projecto AMS, um detector que vai ser lançado para o espaço com o intuito de encontrar indícios cósmicos de antimatéria.

No entanto, estamos num terreno bastante pantanoso, pois “não há medidas que nos indiquem a existência, no Universo, de quantidades suficientes de antipartículas”, salienta a investigadora. E já agora, será que existe antimatéria em formas mais complexas, como o anti-hélio ou o anticarbono? A nível experimental e conceptual, os físicos já conseguiram obter evidências de que a antimatéria pode existir, ou pelo menos ser fabricada artificialmente, mas encontrá-la de modo natural já é uma situação bem diferente.

O brasileiro Claudio Cesar fez parte da equipa de investigadores do CERN que conseguiu alcançar, recentemente, o extraordinário feito de criar átomos de anti-hidrogénio e fazê-los perdurar algum tempo, não deixando que se aniquilassem de imediato. Mas uma coisa é criar antimatéria, outra é encontrá-la no seu estado original, tal como surgiu após o Big Bang. É por isso que Claudio Cesar avisa que “não existe, ao que parece, nenhuma antimatéria primordial, pois toda a que foi criada no início do Universo foi destruída, originando o mar de radiação (fotões/luz) que nos cerca”.

Para além da mão humana (leia-se: dos centros de investigação), há ainda eventos cósmicos que podem desencadear a criação de antimatéria. Por exemplo, “quando ocorre uma supernova, existe energia suficiente para a criar, a qual se aniquilaria e emitiria raios gama”, constata o cientista. Contudo, ainda não foram detectados possíveis raios gama provenientes da aniquilação de antimatéria primordial. Porém, seja em centros de investigação de partículas ou com a ajuda de detectores ultra-sensíveis que flutuam no espaço em busca de raios cósmicos suspeitos, os cientistas não parecem querer baixar os braços enquanto não cortarem as pontas soltas dos modelos teóricos.

Na região de Genebra, na fronteira da Suíça com a França, está sediada a Organização Europeia para a Investigação Nuclear (CERN), responsável por uma das maiores experiências da história da ciência, o grande acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider). Além de estudar os primórdios do Universo, os laboratórios do CERN também conseguem criar antimatéria, usando os aceleradores de partículas para simular as condições de alta energia que existiram pouco depois do Big Bang.

Foi através deste género de experiências que os físicos obtiveram a certeza de que, cada vez que a energia é transformada em matéria, na forma de quarks ou electrões, são igualmente produzidos antiquarks e positrões. Aliás, “a antimatéria é produzida no CERN há dezenas de anos, de forma rotineira”, confirma Clara Gaspar, a portuguesa que é responsável pelo sistema de controlo do LHC beauty experiment, mais conhecido por LHCb, um dos quatro detectores do LHC e aquele que se encontra a estudar todo este mistério.

Basicamente, “o LHCb está a estudar as diferenças entre a matéria e a antimatéria, em busca da razão pela qual só encontramos a primeira”. Hoje em dia, a maior parte dos cientistas acredita que o desequilíbrio que vemos entre a matéria e o seu oposto é o reflexo de uma diferença, muito subtil, entre as duas. Por exemplo, uma pequena variação na taxa de decaimento de cada uma pode explicar porque é que conseguiu prevalecer uma pequena, mas muito significante, fracção de matéria. Todavia, também pode ter existido um outro mecanismo, desconhecido, que as impediu de se aniquilarem por completo. O grande objectivo do LHCb, assim sendo, está na busca das pequeníssimas assimetrias que levaram à criação de tudo o que nos rodeia.

Para atingir esse fim, a famosa equação de Einstein (E=mc2) é aqui aplicada em toda a sua beleza. Ao provocar no CERN a colisão entre protões, obtém-se energia, a qual dá depois origem à “geração de novas partículas”. “Em cada colisão, são geradas partículas acompanhadas das suas antipartículas, e aquilo que o LHCb pretende estudar em detalhe é a produção de dois tipos específicos de partículas, os quarks b e os antiquarks b, para detectar possíveis diferenças”, salienta Clara Gaspar.

Neste momento, o LHCb ainda está numa fase inicial de compreensão dos dados adquiridos, pois o grande acelerador de partículas só entrou em actividade no final de 2009. Com estes dados, e outros mais que se irão acumular nos próximos anos, espera-se que a experiência “possa contribuir com novas descobertas”. Para 2016, está programada uma actualização do aparelho, “com a nova versão a ser composta por detectores ainda mais sofisticados e de maior precisão, o que permitirá a aquisição de um maior número de dados e o estudo da desintegração de outros tipos de partículas, como os quarks c e os antiquarks c”.

Clara Gaspar trabalha no CERN há quase 25 anos, sendo um dos poucos portugueses que integram o projecto LHCb. Sob o seu olhar atento está o sistema de controlo do detector, o qual “funciona 24 horas por dia, com dois operadores sempre presentes na sala de controlo”. Todo o cuidado é pouco: “O mínimo problema na experiência tem de ser imediatamente detectado e corrigido, para não se perderem dados.” A quantidade de informação adquirida pelo LHCb assim o justifica: dez milhões de colisões por segundo, detectadas através de centenas de milhares de canais electrónicos, controlados por 200 computadores a funcionar em paralelo, cada um dedicado a um subsistema do detector. Uma grande responsabilidade.

Lançar um detector de raios cósmicos para o espaço, acoplá-lo à Estação Espacial Internacional (ISS, na sigla inglesa) a 300 quilómetros de altura da Terra e esperar que, ao fim de três anos, a antimatéria tenha dado ares da sua graça. Eis um dos dois objectivos do projecto AMS (para além do estudo da matéria escura), do qual fazem parte investigadores de 56 instituições e de 16 países. Entre eles, encontram-se três cientistas do LIP.

“O projecto AMS data de 1994 e, basicamente, é um detector de partículas construído muito à semelhança dos detectores que encontramos no CERN”, sintetiza Luísa Arruda. “De modo grosseiro, podemos dizer que é parecido com o LHCb.” Para cumprir a sua missão, irá detectar os “traços” dos raios cósmicos que o atingem, os quais, segundo a cientista do LIP, darão a direcção das partículas que aí chegam. “O AMS tem um sistema que permite medir a velocidade dessas partículas e fazer a identificação da sua carga.”

Uma vez medidos com exactidão os raios cósmicos, os seus espectros serão estudados, para identificar as partículas que os constituem. Um dos principais objectivos passa pela tentativa de identificação de núcleos atómicos, como o anti-hélio, para que possam corroborar a existência de antimatéria no Cosmos. “Se medirmos esses núcleos mais pesados, nem que seja apenas um, teremos a evidência de que poderão existir estruturas como anti-estrelas, algures no nosso Universo, que estejam a passar por um período de nucleossíntese. Ou seja, no centro dessas anti-estrelas estariam a ser formados todos os anti-elementos da tabela periódica.” Seria o sinal de que poderia existir um outro mundo, com propriedades simétricas das do nosso.

No entanto, antes de sonhar com essas possíveis descobertas, ainda falta lançar o detector para o espaço e juntá-lo à ISS, algo que está previsto para 1 de Abril de 2011, a bordo do vaivém espacial Endeavour. Uma vez que é mais pequeno do que os seus grandes irmãos do CERN, o detector AMS foi construído com uma série de constrangimentos. Apesar disso, trata-se de uma experiência que vai ser colocada no espaço. Portanto, todo o material tem de estar preparado para operar nessas exigentes condições e lá permanecer durante três anos, sem qualquer manutenção humana.

A colaboração do LIP com este projecto já dura há mais de dez anos, sendo actualmente coordenada por Fernando Barão, do Instituto Superior Técnico. Os três cientistas do LIP trabalham no subdetector RICH (Ring Imaging Cherenkov), responsável por fornecer as medidas mais precisas da velocidade e carga eléctrica das partículas detectadas. “Em colaboração com o restante grupo do AMS, nós desenvolvemos e implementamos algoritmos que vão fazer a reconstrução das variáveis de velocidade e carga, e somos responsáveis pela manutenção e controlo da sua performance.”

Se pensa que a antimatéria não tem qualquer utilidade prática e imediata, o melhor é desistir da ideia. Na medicina, ela já é usada para lutar contra o cancro, nomeadamente através do scanner PET (Positron Emission Tomography), uma tecnologia que faz tomografias através da emissão de positrões. Este tipo de exames “é do mais sensível que existe para a detecção do cancro”, refere Claudio Cesar.

Na sua essência, esta tecnologia funciona através da injecção, na corrente sanguínea do paciente, de uma substância radioactiva previamente misturada com glicose (açúcar). A substância concentra-se em maiores quantidades na zona afectada pelo tumor, dado que é aí que o corpo consome maiores quantidades de açúcar. Ao chegar aos tecidos tumorais, os átomos da substância radioactiva, já de si instáveis, vão decair em positrões. Ao entrar em contacto com o tecido do corpo (com a matéria) estes positrões são aniquilados, libertando fotões que são detectados para construir uma imagem tridimensional e precisa do tumor (para os progressos portugueses nesse campo, ver Antimatéria Salva-vidas, SUPER 148).

Querendo ir mais longe, algumas equipas estão a estudar a possível utilização de antiprotões para matar os próprios tumores cancerígenos, fazendo-os actuar como uma espécie de “mini-bomba”. Além do mais, “o anti-protão teria a vantagem de poder fornecer uma imagem tridimensional de onde se está a matar o tumor”, comenta o físico brasileiro. Todavia, esta possibilidade “ainda está muito longe de se tornar uma realidade”.

Enquanto fonte de energia, foi a ficção, através da série Star Trek, que popularizou o uso de antimatéria como combustível para as naves espaciais. Saltando para o campo do real, a verdade é que “sempre esteve no website da NASA que a antimatéria seria o único combustível possível para se fazer uma viagem além do Sistema Solar, por ser o mais eficiente que existe”, revela ainda Claudio Cesar. “Se misturarmos positrões com electrões, obtemos energia pura, não restando nenhuma massa. O problema é que seria preciso gastar muito mais energia para criar a antimatéria do que a que depois se retiraria dela, pois o processo para a sua criação ainda é muito ineficiente.” Ou seja, o melhor é especular por um tal reactor para daqui a muito tempo.

Por agora, há que esperar pelas possíveis revelações de projectos como o LHCb ou o AMS. Talvez se descubra que, afinal existem estrelas, planetas e galáxias inteiras feitas de antimatéria. Todavia, se isso acontecer, não se esqueça de seguir o conselho do físico britânico Stephen Hawking: “Se encontrar o seu anti-eu, não lhe aperte a mão, pois desapareceriam os dois num grande clarão de luz.”

Em Novembro, uma equipa de investigadores do CERN, ligados ao projecto ALPHA, anunciou a invulgar produção de milhares de anti-átomos de hidrogénio. Mas o que saltou à vista foi o aprisionamento, pela primeira vez, de 38 desses anti-átomos durante um décimo de segundo, sem os deixar aniquilar-se.

Criar átomos de antimatéria não é novidade, pois em 1995, e outra vez no CERN, foi gerado o primeiro anti-átomo, de anti-hidrogénio. O problema é que estes elementos desaparecem, num flash de luz, assim que são gerados. Porém, ficava aberta a porta para fazê-los perdurar mais tempo. Em 2002, mais um passo foi dado nesse sentido, ao produzir-se anti-hidrogénio em grandes quantidades.

A preferência por este elemento é evidente, pois o seu reverso, o bem conhecido hidrogénio, é o átomo mais simples que a Natureza concebeu: somente um protão no núcleo e um singelo electrão a rodeá-lo. Bastava, por isso, criar a antipartícula de cada um deles e juntá-los, impedindo que desaparecessem de imediato.

Entre os investigadores que recentemente fizeram história, esteve o físico brasileiro Claudio Cesar, que explica como tudo foi feito: “O que a física faz hoje em dia é alquimia. Através da fórmula de Einstein, sabemos que a energia pode ser convertida em massa e vice-versa”, salienta. “O antiprotão que é feito no CERN é criado através de um acelerador de protões. Estes são acelerados através de energias bastante altas, sendo depois lançados contra um alvo metálico. Ao colidir com ele libertam energia, criando, por exemplo, o antiprotão.”

Os positrões foram produzidos de um modo mais fácil. O CERN tem acesso a fontes radioactivas de sódio-22, uma substância que, quando entra no processo de decaimento radioactivo (perda de energia e consequente transformação noutro elemento), emite grandes quantidade de positrões.

Uma vez produzidos os dois elementos do hidrogénio, é preciso combiná-los. Primeiro, os antiprotões criados são desacelerados, de modo a perderem energia. Enquanto uma grande parte deles acaba por se aniquilar, uma pequena fracção é capturada numa garrafa de vácuo, através de campos eléctricos e magnéticos. Quando os antiprotões são presos, a sua energia ainda é de milhões de Kelvin (o equivalente a outros milhões de graus Celsius). Sozinhos no vácuo, são depois misturados com electrões. Como o antiprotão não é a antipartícula do electrão, não ocorre um aniquilamento, mas, devido à troca de energia que se dá entre os dois, os antiprotões acabam por arrefecer até perto dos cem Kelvin, uma temperatura bastante baixa (cerca de 170 ºC negativos).

Depois de arrefecerem ainda mais, até aos 40 Kelvin, entram em cena os positrões. Estes, que também foram aprisionados com campos eléctricos e magnéticos, são enviados, em conjunto com os antiprotões, para uma espécie de “armadilha” que também usa o mesmo género de campos. Seguem-se as partes mais delicadas. “Usando outra técnica sofisticada, conseguimos enviar lentamente os antiprotões para dentro da amostra de positrões, de modo a que possam colidir e formar o anti-átomo”, resume Claudio Cesar.

Para quase finalizar, é importante a utilização de um novo tipo de armadilha, desta vez para prender o anti-átomo neutro que vai formar-se. Neste caso, devido à carga neutra que comporta, é somente usado um campo magnético. O último passo envolve “juntar todas as amostras e enviar-lhes um pulso eléctrico que retira todos os antiprotões e positrões, de modo a restarem apenas os anti-átomos neutros que foram aprisionados”.

A operação revela-se complicada e difícil, “porque as amostras usadas estão a algumas dezenas de Kelvin, mas só conseguimos aprisionar os átomos que têm uma energia abaixo de meio Kelvin”, um valor que ronda o zero absoluto e as temperaturas mais baixas que existem no Universo.

Para que os anti-átomos sejam detectados e a experiência um sucesso, basta desligar a armadilha magnética. Isto leva a que os anti-átomos fiquem livres e possam colidir com as paredes (a matéria) do experimento, aniquilando-se em partículas de piões que são depois detectados, com precisão, numa imagem a três dimensões.

O período durante o qual o anti-hidrogénio ficou aprisionado (um décimo de segundo) parece insignificante, embora seja longo no que concerne à antimatéria. “Isso já é um tempo bastante razoável para fazer algumas experiências”, cita o investigador. No futuro, quando se aumentar ainda mais o tempo de aprisionamento, já será possível testar com rigor o modelo padrão da física das partículas, o qual defende que as leis da física devem ser rigorosamente iguais para a matéria e para a antimatéria. “Esta simetria é extremamente importante, porque está na base do modelo padrão. Se a quebrarmos, numa futura investigação, poderá haver sérias consequências para a física. Seria uma queda muito grande de um paradigma.”

J.P.L. - SUPER 153 - Janeiro 2011